張文杰

（東風(fēng)商用車有限公司鑄造二廠，湖北十堰 442013）

金屬材料力學(xué)性能試驗方法是檢測和評定金屬材料產(chǎn)品質(zhì)量的最重要手段，其中拉伸試驗則是應(yīng)用最廣泛的試驗方法，拉伸性能指標(biāo)是金屬材料的研發(fā)、生產(chǎn)和檢驗最主要的測試項目之一，拉伸試驗過程中的各項強度和塑性指標(biāo)是反映金屬材料力學(xué)性能的重要參數(shù)。影響拉伸實驗結(jié)果準(zhǔn)確性的因素包括：材料固有屬性的影響以及材料固有屬性以外影響。如材料的屈服極限、強度極限和彈性模量等都屬于材料的固有屬性；而產(chǎn)品的取樣以及試樣的制備、試驗設(shè)備和測試儀器的狀況、夾具的磨損及夾持方法、試驗環(huán)境溫度濕度的影響、拉伸速度及引伸計的標(biāo)定等影響因素都屬于材料固有屬性以外的影響因素。材料的固有屬性影響無法在試驗過程中通過改善來降低，但是材料固有屬性以外的影響因素都是在實驗過程中產(chǎn)生的，可以通過改善來減少這些因素的影響。本論文主要從GBT228-2010標(biāo)準(zhǔn)的把握、產(chǎn)品的取樣以及試樣的制備、試驗設(shè)備和測試方法、夾具的磨損及夾持方法、拉伸速度及引伸計的標(biāo)定等五個方面對金屬材料拉伸試驗的控制進行闡述。

1 GBT228-2010標(biāo)準(zhǔn)的把握

金屬材料室溫拉伸試驗方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試驗方法的原理、定義、符號和說明、試樣及其尺寸測量、試驗設(shè)備、要求、性能測定、測定結(jié)果數(shù)值修約等。適用于金屬材料室溫拉伸性能的測定，試樣界面小于0.1 mm的金屬產(chǎn)品，例如金屬箔、毛細管等的拉伸試驗需要雙方協(xié)議。試驗一般在室溫10℃～35℃范圍進行。對溫度要求嚴(yán)格的試驗，試驗溫度應(yīng)為23℃±5℃.試樣原始截面積應(yīng)根據(jù)測量試樣原始尺寸來計算。使用量具或測量裝置應(yīng)符合表1所示分辨率。對于圓形橫截面試樣，應(yīng)在標(biāo)距的兩端及中間三處兩個相互垂直的方向測量直徑，取其算術(shù)平均值，取用三處測得的最小橫截面積，按照

表1 量具或測量裝置分辨率

試樣的形狀有規(guī)定，通常試樣要進行機加工。試樣平行長度和夾持頭部之間應(yīng)以過渡弧連接，過渡弧的半徑尺寸很重要。試樣頭部形狀應(yīng)適合于試驗機夾頭的夾持。夾持端和平行長度之間的過渡弧的最小半徑應(yīng)≥0.75 d，試樣原始橫截面可以為圓形、方形、矩形或特殊情況時為其他形狀，機加工的圓形橫截面試樣其平行長度的直徑一般不應(yīng)小于3 mm.圓形橫截面尺寸要求如表2所示。

表2 圓形橫截面比例試樣尺寸要求

2 產(chǎn)品的取樣以及試樣的制備

在拉伸試驗中產(chǎn)品的取樣部位不同會造成檢測結(jié)果的差異，從金屬材料的不同位置取樣獲得的試驗樣本，其力學(xué)性能往往存在一些差異，這是由金屬材料在鑄造形成、加工過程中，成分、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷、加工變形分布不均差異造成，因此使得同一批，甚至同一產(chǎn)品的不同部位的力學(xué)性能出現(xiàn)了差異。因此在取樣時應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進行，以避免實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差造成誤判。

在拉伸試驗中準(zhǔn)確的試樣制備是獲得準(zhǔn)確試驗數(shù)據(jù)的前提，切取試樣時必須防止因受熱、加工硬化及變形而影響檢測結(jié)果，切取毛坯時應(yīng)留有足夠的機加工余量，從毛坯加工成試樣，需要通過鋸切、粗車、精車、磨等機加工以及劃線，同時車削和磨削的深度和走刀速度及冷卻方式均應(yīng)合理，以防止發(fā)生因受熱或加工硬化而影響檢測結(jié)果。試樣的制備過程通常如圖1所示，每個步驟所得試樣如圖2所示。

圖1 試樣的制備過程

圖1 試樣形狀

3 試驗設(shè)備和測量方法

3.1 試驗設(shè)備

試驗機和引伸計是金屬材料拉伸試驗中常用的兩種試驗設(shè)備。其中前者主要用來向試樣施加作用力，同時測量作用力的數(shù)值；后者主要用來進行位移或延伸的測定。以上兩種試驗設(shè)備將直接影響試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實性。所以，試驗時必須要確保試驗機和引伸計合格有效。

3.2 測量方法

試樣原始截面積是通過實測試樣的橫截面的尺寸而計算得到的，對于橫截面為圓形的試樣，測量橫截面的直徑，在選取測量位置時，要包括標(biāo)距兩端和中間三個位置，同對互相垂直的兩個方向測量直徑，取兩個方向的平均值為直徑計算面積，取三處測的面積的最小值為試樣的原始橫截面積。

斷后伸長率的測定，如果試樣斷在標(biāo)距中間1/3L0（L0為原始標(biāo)距）范圍內(nèi)，則直接測量兩標(biāo)點之間的長度；如果斷在標(biāo)距內(nèi)，但超出中間1/3L0，采用位移方法測定斷后標(biāo)距如圖3所示，實驗前通過SH-350試樣分劃器將試樣原始標(biāo)距細分為5 mm間距N等分；試驗后以符號X表示斷裂后試樣短斷的標(biāo)距標(biāo)記，以符號Y表示斷裂試樣長段的等分標(biāo)記，此標(biāo)記與斷裂處的距離最接近于斷裂處至標(biāo)距標(biāo)記X的距離。如X與Y之間的分格數(shù)為n，按如下測定斷后伸長率：

1）如N-n為偶數(shù)（見圖2a）），測量X與Y之間的距離和測量從Y至距離為個分格的Z標(biāo)記間的距離。

2）如N-n為奇數(shù)（見圖2b）），測量X與Y之間的距離，以及從Y至距離分別為（N-n-1）/2和（N-n+1）/2個分格的Z′和Z"標(biāo)記之間的距離LYZ′和LYZ".

圖3 位移方法測定斷后標(biāo)距的圖示說明

4 夾具的磨損及夾持方法

實驗中選用的夾具一定要與試樣形狀相匹配，和夾具的表面外型花紋相適宜，保證夾具與試樣間的摩擦力，使試樣不至于掉落下來而使實驗中斷，影響實驗效率。同時夾具在使用的過程中隨著時間的推移會不斷磨損，導(dǎo)致試樣夾不緊，需要定期更換夾具確保夾緊效果。例如V型鉗口夾具，不同直徑的試棒采用不同種類的V型鉗口夾具，夾持長度最少達到夾塊長度的3/4，確保夾持效果。

拉伸試驗中夾持方法也非常重要，如果試樣夾不住試驗則無法進行，如果夾持方法不合理，試驗結(jié)果則會出現(xiàn)較大誤差。在進行拉伸試驗時，常出現(xiàn)試樣因應(yīng)力集中而斷在夾持部分或標(biāo)距外的過渡區(qū)，導(dǎo)致實驗失敗的現(xiàn)象。試驗機的加載軸線應(yīng)與試樣的幾何中心一致，如果不一致，會造成偏心加載而產(chǎn)生彎曲。一般不允許對試樣施加偏心力，因為力的偏心容易使試驗力與試樣軸線產(chǎn)生明顯偏移。拉伸夾具選用不當(dāng)會使試樣產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，從而是結(jié)果產(chǎn)生偏差，同時拉伸夾具選用不當(dāng)也極易引起拉伸試樣打滑或斷在鉗口內(nèi)，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或?qū)嶒灁?shù)據(jù)偏低?？傊?，加載系統(tǒng)、試樣幾何形狀尺寸以及材質(zhì)不均勻試樣都可能引起偏心加載，要盡量減少這些偏心效應(yīng)。

5 拉伸速度及引伸計的標(biāo)定

拉伸速率是表征拉伸試驗進行快慢的參數(shù)，對性能的測定有明顯影響，通常有橫梁位移速率、平行長度應(yīng)變速率、應(yīng)力速率和應(yīng)變速率四種速率表示方式，GB/T228-2010標(biāo)準(zhǔn)中對試驗速率有明確規(guī)定。拉伸速度不僅對測試數(shù)據(jù)有影響，對拉伸曲線的形狀也有影響。一般來說，拉伸速度過快，測得的屈服點或規(guī)定非比例伸長應(yīng)力都有所提高，而且對于不同材料，速度的影響也不全相同。在彈性階段一般選擇采用應(yīng)力速率控制或負(fù)荷控制。塑性較好的材料試樣過了彈性階段后載荷增加不大，而變形增加很快，為了防止拉伸速度過快，一般采用橫梁位移控制和應(yīng)力速率控制。在彈性范圍至上屈服強度變形階段，試驗機夾頭的應(yīng)力速率應(yīng)盡可能保持恒定并在規(guī)定的應(yīng)力速率范圍內(nèi)，材料彈性模量E＜150 000 N/mm2，應(yīng)力速率應(yīng)控制在（2～20）（N/mm2）·s-1范圍內(nèi)，材料彈性模量 E≥150000N/mm2，應(yīng)力速率應(yīng)控制在（6～60）（N/mm2）·s-1范圍內(nèi)，若僅測下屈服強度，在試樣平行長度屈服期間應(yīng)變速率應(yīng)在0.000 25 mm/s～0.002 5 mm/s之間，平行長度內(nèi)，應(yīng)變速率應(yīng)盡可能保持恒定，在塑性范圍直至規(guī)定強度應(yīng)變速率不應(yīng)超過0.002 5/s（假定拉伸前試驗機上下夾頭之間距離為100 mm，其分離速度應(yīng)小于0.25 mm/s）.測定抗拉強度的試驗速度，塑性范圍平行長度的應(yīng)變速度不應(yīng)超過0.008 mm/s.彈性范圍試驗不包括屈服強度或規(guī)定強度的測定，試驗機的速度可以達到塑性范圍內(nèi)允許的最大速度。應(yīng)力速率和應(yīng)變速率切換，最好在彈性階段結(jié)束的點進行，在切換過程中要求沒有沖擊、沒有掉力，這是拉伸試驗的一個關(guān)鍵點。

引伸計是試驗機的一個重要附件，主要用于試樣變形較小的試驗，如需要準(zhǔn)確測定材料彈性模量和規(guī)定非比例延伸強度RP0.2時，必須安裝引伸計，如果不需要測定這個性能指標(biāo)，則不必安裝引伸計，引伸計裝夾與取下的方法和時機不正確，也會影響試驗結(jié)果同時還有可能造成引伸計非正常損壞。目前常用的引伸計為電子引伸計，在裝夾時將引伸計標(biāo)距定位銷插在力臂與標(biāo)距桿之間的定位孔內(nèi)，壓緊兩力臂，使兩刀刃接觸試樣，用彈簧將引伸計固定在試樣上，裝好后取出標(biāo)距限位桿，保證上下兩刀口與試樣垂直，將帶有引伸計的試樣裝夾在試驗機上開始拉伸。有的夾具在夾緊試樣時會產(chǎn)生一個初始力，一定要把初始力消除后再夾持引伸計，這樣引伸計夾持的標(biāo)距才是試樣在自由狀態(tài)下的原始標(biāo)距。

引伸計標(biāo)定要求：標(biāo)定是給引伸計兩刀刃間以一定的標(biāo)準(zhǔn)位移，測出引伸計的相應(yīng)電信號輸出量，從而確定標(biāo)準(zhǔn)位移與輸出量的對應(yīng)關(guān)系。引伸計標(biāo)定之前要對試驗參數(shù)進行設(shè)定。設(shè)定過程如圖4所示，進入實驗程序界面，再點擊參數(shù)設(shè)置下拉菜單選擇“硬件參數(shù)”點擊“確定”進入硬件參數(shù)欄，點擊“引伸計”按鈕進入引伸計設(shè)置欄如圖4c），點擊“添加”按鈕，分別在設(shè)備名稱、標(biāo)距、最大變形欄內(nèi)輸入每種引伸計的參數(shù)內(nèi)容。點擊“保存”按鈕。點擊“試驗部分”下拉菜單——編輯試驗方案——基本參數(shù)——在變形傳感器欄內(nèi)選擇“引伸計”在引伸計切換點欄內(nèi)輸入合理值——控制方式——試驗速度欄內(nèi)輸入合適值。

圖4 引伸計參數(shù)設(shè)置圖示說明

表3 引伸計的分級誤差要求

圖5 引伸計標(biāo)定過程圖示說明

引伸計標(biāo)定方法，把引伸計線跟主機連接。點擊【系統(tǒng)管理】再選擇【聯(lián)機參數(shù)】再選擇【選擇引伸計】選擇【聯(lián)機】，把兩根校準(zhǔn)試棒分別裝到上下夾具上，將引伸計裝在校準(zhǔn)試棒上，如圖5a）所示，然后取下定位銷，對位移和變形工具欄清零。按△鍵，液壓夾具開始上升，然后記錄不同測量點的位移值Li和變形值Lt，標(biāo)定要做兩組測量，每組測量至少要包含10個測量點Li和Lt，且10個測量點要盡可能均勻分布在引伸計的整個標(biāo)定范圍內(nèi)。第一組測量完成后，取下引伸計，再重新裝在校準(zhǔn)試棒上，然后用與第一組相同的方法進行第二組測量。每個測量點均要計算其系統(tǒng)相對誤差，對于某一給定位移Li，

如果每個測量點的結(jié)果都符合表3要求，則標(biāo)定合格，否則進行圖5操作：選擇【參數(shù)設(shè)置】再選擇【校準(zhǔn)】選擇【引伸計】，如圖5b）所示，將位移數(shù)值輸入給參考值，選擇【自動校準(zhǔn)】選擇【退出】如圖5c）所示，取下引伸計，重新點擊【系統(tǒng)管理】開始執(zhí)行標(biāo)定操作。

6 結(jié) 論

影響金屬材料拉伸試驗檢測結(jié)果的因素包括材料的固有屬性以及外部因素。在實際檢測中為了確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，應(yīng)盡量減小各種外部因素的影響，同時要針對各種影響因素制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)規(guī)范，嚴(yán)格控制試驗過程，確保操作符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程要求，獲得準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)。